具有集成热交换器的圆柱形蒸汽重整器的制作方法

专利名称：具有集成热交换器的圆柱形蒸汽重整器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种圆柱形蒸汽重整器，该圆柱形蒸汽重整器可以应用于需 要氢气的燃料电池或者将氢气供应到燃料电池车辆或其它类似位置的氢气 站，从而利用天然气或碳氢化合物连续供应氢气。
背景技术：
在地下化石燃料数量受限及环境污染的问题出现的同时，也预示着一个 使用氢气作为能源的氢能新时代的到来，其中氢气是一种无害清洁燃料。但 是，目前存在从其它能源中制取氢气作为纯净清洁能源的技术和商业限制。 因此，使用传统化石燃料，即包括天然气的碳氢化合物，制取氢气作为无污 染的清洁燃料将成为一个中间步骤。这样的氢气已经应用于很多工业领域，例如氨合成、甲醇合成、石油精 炼工业(包括加氢脱硫、氢处理或者普通和精细化工工艺)、电子和半导体 工业、食品和金属加工，等等。特别地，在能源领域，氢的利用已经超出了 作为航天飞机推进燃料的用途，其中难以在航天飞机中使用内燃机，并拓展 到家庭或发电厂使用的燃料电池和燃料电池车辆的燃料，能够解决电力自我 供应、能量效率以及环境污染的问题。为此，目前已经提出了多种制取氢气的方法，例如，包括化石燃料(煤、 石油、天然气、丙烷、丁烷)的蒸汽重整、部分氧化或自热重整、水电解， 等等。在这些方法中，蒸汽重整工艺被认为是一项商业上和经济上可行的技 术。蒸汽重整工艺主要用于大规模生产氢气。在这种情况下，用于生产氢气的重整反应器设计成在高压(15 25bar)和高温(等于或大于85(TC)的条 件下工作，从而可以有利地制取氢气。但是，蒸汽重整工艺处于不利地位， 因为反应器本身的尺寸太大，因此难以有效地设计热网，从而导致非常低的 效率。另一方面，在用于氢气生产工艺的重整反应器设计成中小尺寸的情况 下，这种反应器的制造就会变得复杂并且其安装成本大大增加，因此有损经 济利益。另外，当考虑稳定工作而将装置设计为大尺寸时，相应单元过程所需的 重整反应器、高温和低温水一气转换反应器以及蒸汽发生器应该单独安装， 并且上述反应器热交换用的外热交换器应该另外提供，从而扩大了装置的整 个结构。因此，由于热交换器和连接每个反应器的管道的热损失，难以实现 高的热效率。基于克服中小尺寸重整器的这些问题的目的，进行了很多尝试，如将各 个单元的过程部分结合；开发适合中小尺寸系统的催化剂；通过热流分析优 化相互热交换网；简化重整器的结构，以提高加工能力和生产率；以及集成 各个反应器，同时减小其尺寸，以便减少初始操作时间和热损失，从而提高 热效率。在这一方面，传统的中小尺寸重整器表示在图1中。如该图所示，传统 重整器需要在其外部安装大的外热交换器，以便利用燃烧器中产生的燃烧气 体在将热量供应给重整反应器以在重整反应器中进行重整反应之后排出的 高温燃烧废气，来帮助将喂料/蒸汽的温度提高到适用于蒸汽重整反应器的 温度(500 70(TC)。但是，在这一方面，由于热交换器起到在50(TC或更高 温度交换燃烧废气热量的功能，因此它应该适于在高温下使用，并应该具有 较大尺寸，这导致与成本和尺寸相关的问题。特别是，由于热交换器本身的 隔热问题以及经过管道的热损失，热效率的提高受到限制。并且，为了从高温重整产物(包括重整氢气、 一氧化碳和二氧化碳蒸汽) 中去除一氧化碳，在将重整产物供应到水一气转换反应器时，需要另外提供 另一个外热交换器，将重整产物的温度降低到400—50(TC，以适于高温转换 反应。但是，这样将出现热交换器的材料问题，以及使用空气作为热交换介 质的热传递效率问题，此时空气是燃烧器的一种燃料，从而难以将热损失降 到最低。因此，为了解决上述问题，迫切需要一种蒸汽重整器，该蒸汽重整器能 将热交换器和管道中出现的热损失减小到最低程度并优化安装空间。发明内容因此，本发明的一个目的是提供一种圆柱形蒸汽重整器，该蒸汽重整器 包括重整部分、燃烧部分、内热交换部分和蒸汽发生部分，它们整体制成单 独一台反应器，从而形成最佳热交换网，实现各个部分的最佳性能。本发明的另一个目的是提供一种圆柱形蒸汽重整器，其中形成有内热交 换部分，从而将额外的外热交换器的所需容量降到最小，并将外围装置造成 的热损失降到最低，从而具有比传统商用制氢工厂高的热效率。本发明的再一个目的是提供一种圆柱形蒸汽重整器，通过设计反应器， 而使该圆柱形蒸汽重整器可以应用于小而且需要稳定性的地方，例如氢气 站。所述反应器包括上反应器区、中反应器区和下反应器区，这些区可拆卸 地连接，以便于供应催化剂并提高耐用性。为了达到上述目的，本发明提供一种具有集成的热交换器的圆柱形蒸汽 重整器，所述圆柱形蒸汽重整器包括反应器，所述反应器包括具有内热交换 部分的上反应器区，连接到上反应器区并具有燃烧部分、蒸汽发生部分和重 整部分的中反应器区，以及构成中反应器区下表面的下反应器区，其中所述 上反应器区、中反应器区和下反应器区是可拆卸连接的，从而在上反应器区 的内热交换部分内和中反应器区内形成热传递通道，以减轻反应器的热膨胀 影响。


从下面结合附图的详细描述中，将更加清楚地理解本发明的上述和其它 目的、特征和优点。在附图中图1是传统蒸汽重整器的示意图；图2是根据本发明的蒸汽重整器的示意图；图3是表示根据本发明的圆柱形蒸汽重整器的内部结构的视图；以及 图4至图6是表示根据本发明的圆柱形蒸汽重整器各个部分的横截面视图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明。图2示意性表示本发明的蒸汽重整器，图3表示本发明圆柱形蒸汽重整 器的内部结构，图4到图6表示根据本发明的蒸汽重整器的上反应器区、中 反应器区和下反应器区中的每一个的内部结构。根据本发明的圆柱形蒸汽重整器示意性地表示在图2中。从该图中可以 清楚地看出，本发明的蒸汽重整器的特征在于将内热交换部分、燃烧部分、 蒸汽发生部分以及重整部分包括在一个单独的反应器中。即，本发明的圆柱 形蒸汽重整器设计成在反应器中设置内热交换部分，从而将图1所示的传统 蒸汽重整器所需的外热交换器的尺寸减到最小，并且实现其管道中热损失的 最小化，还改进了燃烧气体的流动通道，从而能仅仅使用具有小容量的低温 外热交换器。图3是表示根据本发明的具有集成热交换器的圆柱形蒸汽重整器的结构 的横截面视图。图4到图6是图3的蒸汽重整器的各个部分的横截面视图。 即，本发明的圆柱形蒸汽重整器的特征在于，内热交换部分设置在内部，蒸 汽重整器的上反应器区、中反应器区和下反应器区可拆卸地连接，从而便于
其组装和拆卸，而且置于重整器流动通道中的填料或重整催化剂可以容易地 装入和更换。如图所示，根据本发明的具有集成热交换器的圆柱形蒸汽重整器包括反应器，该反应器包括具有内热交换部分28的上反应器区41，连接到上反应 器区41并具有燃烧部分、蒸汽发生部分以及重整部分的中反应器区42，以 及构成中反应器区42下表面的下反应器区43。将参考图3和图4到图6对 该反应器的这些各个部分进行描述。图4是表示本发明蒸汽重整器上反应器区的横截面视图。上反应器区41 包括两个流动通道，其中一个流动通道起到输送喂料/蒸汽的作用，另一个 流动通道起到在向外排出之前输送中反应器区42内产生的重整产物的作用。 因此，所形成的两个流动通道的位置彼此相邻，而且在上述流动通道中流动 的喂料/蒸汽和重整产物具有不同的温度。这样，当喂料/蒸汽和重整产物 流过各个流动通道时，它们之间发生热交换，因此两个流动通道起到热交换 器的作用。即，在上反应器区41中设置的内热交换部分28包括喂料/蒸汽 流动通道60和重整产物流动通道26。喂料/蒸汽流动部分包括喂料/蒸汽混合管14，用于混合通过物料入口 21从外部供应的物料与通过蒸汽入口59从中反应器区42的蒸汽发生部分供 应的蒸汽；喂料/蒸汽流动通道60，用于输送在喂料/蒸汽混合管14中混 合的喂料/蒸汽；以及喂料/蒸汽出口61，用于将已经通过喂料/蒸汽流动 通道60与重整产物进行热交换的喂料/蒸汽排入中反应器区42的重整部 分。重整产物流动部分包括重整产物流动通道26，用于输送在中反应器区 42的重整部分中形成的重整产物；以及低温重整产物出口 27，用于将已经 通过重整产物流动通道26与喂料/蒸汽进行热交换的重整产物向外排出。如图4和图5所示，在包括喂料/蒸汽流动通道60和重整产物流动通
道26的内热交换部分28的热传递通道中，重整产物流动通道26是通过连 接上反应器区41和中反应器区42形成的。优选地，可以通过控制构成上述 热传递通道的板的数量而将上述热传递通道设计成Z字形，从而实现高的热 交换效率。并且，在内热交换部分28中装入金属多孔填料，从而在最小体 积内保证最大热传递面积。优选地，所装入的填料由高耐蚀性的金属构成， 并且是网、纤维或编织形式，以便防止管道中的压力下降。参看图3和图5，中反应器区42包括燃烧部分、蒸汽发生部分和重整部分。在圆柱形蒸汽重整器的中反应器区42中，用于为重整反应供应预定热 量的燃烧部分包括燃烧器2，用于燃烧通过空气/燃料入口 1供应的空气/ 燃料；第一燃烧气体流动通道51和第二燃烧气体流动通道52，其环绕重整 部分形成，从而在燃烧器2产生的燃烧气体与重整部分之间进行热交换；第 三燃烧气体流动通道53，用于在流过第二燃烧气体流动通道52的燃烧气体 与蒸汽发生部分之间进行热交换；以及废气出口6，用于将流过第三燃烧气 体流动通道53的燃烧气体向外排出。这样，第一燃烧气体流动通道51定位在燃烧管3和重整管54之间，并 且第二燃烧气体流动通道52定位在重整管54和燃烧气体分离管5之间，以 便环绕重整管54。以这种方式，重整部分被第一燃烧气体流动通道51和第 二燃烧气体流动通道52环绕，因此在燃烧气体与重整部分之间形成热交换。 这样，重整反应所需的热量可以由燃烧气体供应。同样，燃烧管3起到防止 燃烧器火焰局部过热以及引导燃烧气体进入第一燃烧气体流动通道51的作 用。此外，流过第二燃烧气体流动通道52的燃烧气体可以流过由燃烧气体 分离管5形成的第三燃烧气体流动通道53。第三燃烧气体流动通道53是由 燃烧气体分离管5和蒸汽发生管56之间的空间形成的，从而实现与蒸汽发 生部分之间的热交换。这样，燃烧气体分离管5的设置使流过第一燃烧气体流动通道51的燃烧气体分开供应到两个流动通道，即，第二燃烧气体流动 通道52和第三燃烧气体流动通道53。由此，将燃烧气体产生的热量均匀地 分布于包括第二燃烧气体流动通道52和第三燃烧气体流动通道53的两个流 动通道，以使热损失最小，从而实现最佳热交换并防止燃烧气体温度极剧下 降。流过第三燃烧气体流动通道53的燃烧气体随后通过废气出口 6排出， 从而起到在外热交换器中将流到重整器内部的水预热的功能。在本发明圆柱形蒸汽重整器的中反应器区42中，蒸汽发生部分用于将 蒸汽供应到重整器，并且包括蒸汽入口 11，用于供应在外部提高了温度的气 一液混合态或气态的蒸汽；蒸汽发生通道12，用于通过与流过第三燃烧气体 流动通道53的燃烧气体进行热交换，而将经由蒸汽入口 11供应的蒸汽提高 到预定温度；以及蒸汽出口57，用于将流过蒸汽发生通道12的蒸汽排放到 上反应器区41。这样，蒸汽发生通道12由中反应器区42的主体58与蒸汽发生管56之 间的空间形成，并简单地填充有金属多孔填料，从而保证最小体积的最大热 传递面积。与周围缠绕热交换管的传统反应器相比，本发明的反应器容易制 造。优选地，此填料包括高耐蚀性的金属，并且是网、纤维或编织形式，用 于防止管道中的压力下降。更优选地，使用不锈钢，不锈钢不会在高温下产 生变形或热膨胀或者由于表面氧化而腐蚀。由此产生的蒸汽通过蒸汽出口 57排出，因此可以通过用于连接上反应 器区41和中反应器区42的蒸汽流动通道13供应到上反应器区41。由于蒸 汽流动通道13通过预定法兰连接到上反应器区41和中反应器区42，因此可 以容易地组装和拆卸。在中反应器区42中，起到从外部供应的喂料/蒸汽制取氢气的作用的 重整部分包括两个流动通道高温喂料/蒸汽通道23和重整通道24，所述 高温喂料/蒸汽通道23和重整通道24是由置于重整管54形成的空间中的重 整分离管55与高温重整排出管25形成的。这样，高温喂料/蒸汽通道23 起到通过与环绕重整管54的第二燃烧气体流动通道52的热交换，而在进入 重整通道24之前，将流经设置在本发明上反应器区41中的内热交换部分28 的低温喂料/蒸汽预热到预定温度的作用。重整通道24起到利用重整催化 剂将流过高温喂料/蒸汽通道23的高温喂料/蒸汽重整，转化成重整产物 的作用。在这种情况下，高温喂料/蒸汽通道23也填充有金属多孔填料， 如同蒸汽发生通道12，从而保证有效的热传递面积。在重整通道24中装有Ni基蒸汽重整催化剂或含至少0.01wt。/o贵金属(例 如Pt或Ru)的Ni基蒸汽重整催化剂。优选地，考虑管中的压降以及其中的 反应，重整催化剂的直径为重整通道24直径的1/3到1/10。本发明的圆柱形蒸汽重整器的下反应器区43表示在图6中。构成中反 应器区42的下表面的下反应器区43包括燃烧管3和燃烧气体分离管5。即， 下反应器区43连接到中反应器区42，从而形成预定流动通道。以这种方式， 在重整器工作产生的热膨胀下，下反应器区43的附加结构使中反应器区42 与下反应器区43之间没有干扰。形成热传递通道的燃烧管3和燃烧气体分离管5连接到下反应器区43， 并且优选地由容易制造的金属制成，或者也可以由陶瓷材料或者导热系数类 似于陶瓷材料的材料制成，以便防止传导热传递。虽然下反应器区43与燃 烧管3和燃烧气体分离管5集成，但本发明并不限于此。在图3中，参考数 字32表示隔热材料，该隔热材料用于防止中反应器区42中的燃烧产生的火 焰影响其它反应过程。在本发明中，其中集成热交换器的圆柱形蒸汽重整器包括上反应器区 41、中反应器区42和下反应器区43，它们是分别提供的或者利用法兰彼此 连接。特别是，甚至在快速启动操作产生的金属热膨胀下，反应器的结构也
能使各个反应器区彼此不干扰。并且，上反应器区41设计成容易从中反应器区42拆除，由此可以在拆卸每个反应器区时打开重整部分的催化剂入口， 从而有效地装载催化剂。另外，有效地设置中反应器区42的热传递通道，从而有效地实现燃烧 部分、重整部分和蒸汽发生部分的热交换，形成最佳热交换网。下面结合图2和图3描述本发明具有集成热交换器的圆柱形蒸汽重整器 的工作。图3表示本发明的圆柱形重整器的内部结构。在本发明中，圆柱形重整 器的工作主要分为燃烧和重整过程。如图2和图3所示，在燃烧过程中，由上反应器区41的低温重整产物 出口 27排出的重整产物在外热交换器中预热要供应到反应器燃烧器2中的 空气，然后通过空气/燃料入口 1供应空气。由此供应的空气与燃烧管3中 的燃料一起通过燃烧器2燃烧，从而产生热量。由此产生的燃烧气体在流过 第一燃烧气体流动通道51、第二燃烧气体流动通道52和第三燃烧气体流动 通道53时与重整部分和蒸汽发生部分进行热交换。S卩，燃烧气体使流过蒸 汽发生部分的蒸汽的温度提高，同时通过与重整部分的热交换保持重整部分 的温度。此后，通过燃烧废气出口 6向外排出燃烧气体，从而完成燃烧过程。下面参看图2和图3描述本发明的重整过程。对于重整反应，必须将蒸 汽供应到本发明的重整器。为此，通过上述燃烧过程排出的废气的热量，在 小容量的低温外热交换器中将外部供应的水转换成蒸汽，此后将此蒸汽通过 蒸汽重整器的蒸汽入口 11供应到反应器。由此供应的蒸汽在流过蒸汽发生 通道12的同时，通过与邻近蒸汽发生通道12的第三燃烧气体流动通道53 进行热交换而回收燃烧气体的热量，然后通过蒸汽出口 57和蒸汽流动通道 13，再通过上反应器区41中的蒸汽入口 59供应到上反应器区41。所供应的 蒸汽与经过喂料/蒸汽混合管14中的物料入口 21供应的物料混合，然后经
过喂料/蒸汽流动通道60输送。这样，流过喂料/蒸汽流动通道60的喂料/蒸汽主要通过与流经邻近 喂料/蒸汽流动通道60的重整产物流动通道26的重整产物进行热交换而回 收热量。随后，通过喂料/蒸汽出口61并且再经过连接上反应器区41和中 反应器区42的低温喂料/蒸汽通道22将喂料/蒸汽供应到中反应器区42。 这样，供应到中反应器区42的低温喂料/蒸汽在重整反应之前应该预热到 适于重整反应的温度。预热过程的实现方式是，低温喂料/蒸汽在流过高温 喂料/蒸汽通道23的同时与邻近高温喂料/蒸汽通道23的第二燃烧气体流 动通道52进行热交换，从而再次从燃烧气体回收热量。然后，将喂料/蒸 汽供应到重整通道24，在重整催化剂作用下发生重整反应。在重整反应之后， 喂料/蒸汽转化成重整产物，包括氢、 一氧化碳、二氧化碳、未转化的碳氢 化合物喂料和多余的水。将如此得到的重整产物经过高温重整产物排出管25输送到上反应器区 41，然后经过重整产物流动通道26以及低温重整产物出口 27排出。同样， 重整产物流动通道26与喂料/蒸汽流动通道60相邻，从而热量可以通过它 们之间的热交换供应给喂料/蒸汽。经过低温重整产物出口 27排出的重整 产物通过额外的外热交换器供应到水一气转换反应器，从而实现本发明的重 整过程。在一些情况下，通过使用堆废气(stack off-gas)或PSA废气(PSAoff-gas) 作为燃烧器的燃料，可以减少燃烧所用的化石燃料的数量。在起始加热过程 中，使用化石燃料作为燃烧器燃料是不可避免的。但是， 一旦重整器在正常 运行条件下开始稳定地产生氢气时，重整产物可以输送到燃料电池堆，所述 燃料电池堆开始使用重整产物中包含的氢气发电。在消耗适量氢气发电之后 从燃料电池堆流出的气流，即所谓的堆废气，仍含有一定量的氢气、 一氧化 碳、二氧化碳和水分，可以重新循环到燃烧器，并作为重整器的燃料。对于 其它情况，可以使用PSA (变压吸附)设备净化重整器的重整产物，以便产生高纯度氢气，并将剩余气体(PSA废气)循环利用并作为燃烧器的燃料使用，因此增大了总的热效率。 工业实用性如上所述，本发明提供一种具有集成热交换器的圆柱形蒸汽重整器，通 过减小氢气发生器的尺寸，典型地是传统的大工厂，并将其应用到燃料电池 或氢气站，可以连续地将氢气供应到需要氢气的燃料电池系统或燃料电池车 辆。根据本发明，圆柱形蒸汽重整器包括重整部分、燃烧部分、内热交换部 分和蒸汽发生部分，它们整体制成单独一台反应器，从而形成获得各个部分 最佳性能的最佳热交换网。因此，可以将热损失降到最低，并且可以实现最 佳热交换效率。另外，考虑高温反应器材料的膨胀和收縮，本发明的蒸汽重 整器的设计使流体流动简化，从而使停滞部分最小，并且还具有高的效率、 稳定性和耐久性。当本发明的蒸汽重整器安装在覆盖面小并需要安全和稳定运行的空间 (如氢气站)时，其热交换效率可以最大化，从而总的热效率提高，由此降 低了氢气制造成本。并且，在保持限制尺寸的外热交换器的容量最小的同时， 甚至使用小容量的低温外热交换器也能实现充分高效的热网。因此，可以克 服额外的材料问题，提高氢气站的商业实用性。虽然为了解释的目的公开了本发明的优选实施方式，但本领域的一般技 术人员应该理解的是，在不偏离权利要求限定的本发明的范围和精神的前提 下，可以得到各种修改、增添和替代。
权利要求
1.一种具有集成热交换器的圆柱形蒸汽重整器，该圆柱形蒸汽重整器包括反应器，所述反应器包括具有内热交换部分的上反应器区；连接到上反应器区并具有燃烧部分、蒸汽发生部分和重整部分的中反应器区；以及构成中反应器区下表面的下反应器区。
2. 根据权利要求1所述的重整器，其中所述上反应器区包括两个流动 通道，分别用于输送喂料/蒸汽和重整产物，并且所述两个流动通道彼此相 邻，便于它们之间实现热交换，由此通过调节用于热交换的板的数量和结构， 构成能够控制热交换面积和气流的内热交换部分。
3. 根据权利要求1所述的重整器，其中所述燃烧部分包括 用于燃烧通过空气/燃料入口供应的空气/燃料的燃烧器； 第一燃烧气体流动通道和第二燃烧气体流动通道，用于环绕重整部分，以便在燃烧器产生的燃烧气体与重整部分之间进行热交换；第三燃烧气体流动通道，用于在流过第二燃烧气体流动通道的燃烧气体与蒸汽发生部分之间进行热交换；以及燃烧废气出口 ，用于将流过第三燃烧气体流动通道的燃烧气体向外排出。
4. 根据权利要求1所述的重整器，其中所述蒸汽发生部分包括 用于向外供应蒸汽的蒸汽入口 ；蒸汽发生通道，用于在通过蒸汽入口供应的蒸汽与流过第三燃烧气体流 动通道的燃烧气体之间进行热交换；以及蒸汽出口，用于将流过蒸汽发生通道的蒸汽排放到上反应器区。
5. 根据权利要求1所述的重整器，其中所述重整部分包括高温喂料/ 蒸汽通道以及重整通道，作为由置于重整管形成的空间内的重整分离管与高 温重整产物排出管形成的两条流动通道，并且高温喂料/蒸汽通道用于在已经流过设置在上反应器区中的内热交换 部分的喂料/蒸汽与环绕重整管的第二燃烧气体流动通道之间进行热交换， 以及重整通道用于将流过高温喂料/蒸汽通道的高温喂料/蒸汽通过重整 反应转换成重整产物。
6. 根据权利要求1所述的重整器，其中所述内热交换部分与蒸汽发生部分的蒸汽发生通道装有多孔金属填料，以便保证最小体积的热传递面积最
7. 根据权利要求6所述的重整器，其中所述填料包括高耐蚀性的金属， 并且是以网、纤维或编织的形式，以便防止管中的压力下降。
8. 根据权利要求1所述的重整器，其中所述上反应器区、中反应器区 和下反应器区是可拆卸地连接的，通过连接上反应器区、中反应器区和下反 应器区而在上反应器区和中反应器区中形成热传递通道，从而缓解快速启动 操作过程中金属热膨胀对反应器的影响。
全文摘要
本发明提供一种圆柱形蒸汽重整器，该圆柱形蒸汽重整器包括重整部分、燃烧部分、内热交换部分和蒸汽发生部分，它们整体制成单独一台反应器，从而形成最佳热交换网，获得各个部分的最佳性能。另外，本发明的蒸汽重整器的设计方式是将上反应器区、中反应器区和下反应器区可拆卸地连接，从而容易供应催化剂并提高耐用性，因此这种重整器可以安装在小而需要稳定性的位置，例如氢气站。
文档编号C01B3/34GK101155752SQ200680011764
公开日2008年4月2日 申请日期2006年4月11日 优先权日2005年4月11日
发明者尹永植, 崔根燮, 金一洙, 金珍弘 申请人:Sk能源株式会社